【導讀】可以實現(xiàn)頻率加、減運算功能。晶體二極管的伏安特性曲線是非線性的，完全可以利用它作混頻器件。采用肖特基二極管的混頻電路，工作頻率可高到微波頻段。頻電路在高質(zhì)量的各種接收機和測量儀器中得到了廣泛的應用。一個重要的缺點，那就是沒有混頻增益。相對于單端混頻器，單平衡

　　

【正文】 umped Component”元件面板列表，在元件面板中選擇 3 個電感和 2個電容，并插入到電路原理圖中。 （ 3）單擊工具欄中的【 GROUND】按鈕，在原理圖中插入兩個“地”。 （ 4）按照圖所示的方式將電容、電感和“地”連接起來。 （ 5）雙擊電路中的電容、電感元件，按照下面的內(nèi)容對它們的參數(shù)進行設置： C1 = 。 C2 = 。 C3 = 50pF。 L1 = 。 L2 = 。 基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 26 （ 6）從“ SimulationS_Param”元件面板中選擇兩個終端負載元件，并分別插輸入輸出端口。 （ 7）單擊工具欄中的【 GROUND】按鈕，在原理圖中插入兩個“地”，并與終接。這樣仿真電路就搭建完畢了，如圖所示。 圖 415 低通濾波器電路圖 （ 8）從“ SimulationS_Param”元件面板中選擇一個 S 參數(shù)仿真控制器，并按下面內(nèi)容進行參數(shù)設置 Start = ，表示頻率掃描的起始頻率為 。 Stop = 4GHz，表示頻率掃描的終止頻率為 4GHz。 Step = 10MHz，表示頻率掃描的頻率間隔為 10MHz。 完成設置的 S參數(shù)仿真控制器如圖所示。 圖 416 完成設置的 S參數(shù)仿真控制器 （ 9）單擊工具欄中的【 Simulate】按鈕執(zhí)行仿真，并等待仿真結(jié)束。 （ 10）仿真結(jié)束后，系統(tǒng)彈出數(shù)據(jù)顯示窗口，在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個關于 S21參數(shù)的矩形圖，如圖所示。從圖中可以看出，這顯然是一個低通濾波器的幅頻響應。 這樣低通濾波器 的設計就完成了，下面開始對混頻器電路進行仿真。 [23] 基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 27 圖 417 濾波器的 21S 參數(shù)曲線 混頻器性能仿真 通過對混頻器仿真，驗證其混頻功能并對混頻器的性能進行分析。 混頻器功能仿真 對混頻器的功能進行驗證，通過觀察本振信號、輸入射頻信號和輸出中頻信號驗證混頻器的混頻功能。 1．仿真原理圖的建立 首先建立對混頻器進行諧波平衡法仿真的電路原理圖，具體步驟如下。 （ 1）新建一個電路原理圖，并名稱保存。 （ 2）將完整的混頻器電路 和濾波器電路復制到新的電路原理圖中，并按照下圖方式連接起來。 基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 28 圖 418 濾波器與混頻器的連接 （ 3）選擇“ SourcesFreq Domain”元件面板，并在面板中選擇兩個功率源 P_1Tone，插入到原理圖中，分別連接在混頻器電路的射頻輸入端和本振輸入端。 （ 4）雙擊兩個功率源，按照下面的內(nèi)容設置它們的參數(shù)。 ① PORT1 的參數(shù)為： P = dbmtow(RF_pwr)，表示功率源 PORT1 的輸出信號功率為 RF_pwr dBm。 Freq = RF_freq GHz，表示功率 源 PORT1 的輸出信號頻率為 RF_freq GHz。 ② PORT2 的參數(shù)為： P = dbmtow(LO_pwr)，表示功率源 PORT2 的輸出信號功率為 LO_pwr dBm。 Freq = LO_freq GHz，表示功率源 PORT2 的輸出信號頻率為 LO_freq GHz。 完成設置的功率源如下圖所示。 圖 419 功率源的參數(shù)設置 基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 29 （ 5）單擊工具欄中的【 VAR】按鈕，在原理圖中插入一個變量控件，雙擊變量控件，按照下面內(nèi)容設置變量及其默認值： RF_pwr = ?20，表 示變量 RF_pwr 的默認值為 ?20dBm。 RF_freq = ，表示變量 RF_freq 的默認值為 。 LO_pwr = 10，表示變量 LO_pwr 的默認值為 10dBm。 LO_freq = ，表示變量 LO_freq 的默認值為 。 完成設置的 VAR 控件如下圖所示。 圖 420 VAR控件中的變量 （ 6）選擇“ SimulationHB”元件面板，并在面板中選擇一個終端負載插入到原理圖的輸出端。 （ 7）單擊工具欄中的【 GROUND】按鈕，在原 理圖中插入 3個“地”，分別連接 3 個端口元件的接地端。 （ 8）在工具欄中單擊【 Insert Wire/ Pin Lables】按鈕，在電路原理圖的輸出端插入一個節(jié)點名稱 Vout。 這樣就完成了仿真原理圖的建立， 如下圖所示。 基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 30 圖 421 執(zhí)行仿真的電路原理圖 2．功能仿真 建立仿真原理圖完畢，下面進行混頻器的功能仿真，具體過程如下。 （ 1）選擇“ SimulationHB”元件面板，并在面板中選擇一個諧波平衡法仿真控制器，插入到原理圖中。 （ 2）雙擊諧波平衡法仿真控制器，按下面內(nèi)容對它的參數(shù)進行 設置： Freq[1] = RF_freq GHz，表示基波頻率 [1]的頻率值與射頻信號頻率相同。 Freq[1] = LO_freq GHz，表示基波頻率 [2]的頻率值與本振頻率相同。 Order[1] = 3，表示基波頻率 [1]的次數(shù)為 3。 Order[2] = 3，表示基波頻率 [2]的次數(shù)為 3。 完成設置的諧波平衡法仿真控制器如圖所示。 基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 31 圖 422 完成設置的諧波平衡法仿真控制器 （ 3）完成了諧波平衡法仿真的參數(shù)設置后，單擊工具欄中的【 Simulate】按鈕執(zhí)行仿真，并等待仿真結(jié)束。 （ 4）仿真結(jié)束后，系統(tǒng)彈出數(shù)據(jù)顯示窗口，在數(shù)據(jù)顯示窗口中加入一個關于 Vout 頻譜的矩形圖，如圖所示。從圖中可以看出， Vout 信號中含有多種頻率成分。 圖 423 Vout信號的頻譜 （ 5）在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個關于索引值 Mix 的數(shù)據(jù)列表，顯示輸出信號的頻率成分以及對應的諧波索引值，如圖所示 。 [24] 圖 424 頻率索引值列表 基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 32 （ 6）雙擊圖所示的矩形圖，在彈出的窗口中選擇【 Plot Options】選項卡，在【 SelectAxes】項中選擇 x 軸，取消【 Auto Scale】選項，并 設置矩形圖中 x軸的顯示范圍為 0～ 500MHz，單擊【 OK】按鈕確認。 此時圖中只顯示 Vout 信號中頻率為 0～ 500MHz的部分，在圖中插入一個標記，觀察 200MHz 頻率分量的功率值，如圖所示。 [25] 圖 425 中頻信號的功率值 由于射頻信號頻率為 ， 本振信號頻率為 ，因此中頻信號頻率應為 200MHz，輸出信號的頻譜中有這個頻率成分，且功率值為 ? 左右， 變頻增益為 12dB。 本振功率選擇 混頻器本振功率的值對混頻器的性能有很大的影響，下面就通過仿真 分析混頻器輸入本振信號功率的最佳值。 （ 1）雙擊諧波平衡仿真控制器，在參數(shù)設置窗口中選擇【 Sweep】選項卡，按照下面的內(nèi)容設置參數(shù)掃描： SweepVar = ” LO_pwr”，表示掃描參數(shù)為本振信號功率。 Start = 1，表示本振信號功率的起始點為 1。 Stop = 20，表示本振信號功率的終止點為 20。 Step = 1，表示本振信號功率的掃描間隔為 1。 完成參數(shù)設置的諧波平衡法仿真控件如圖所示。 基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 33 圖 426 HB控件中設置參數(shù)掃描 （ 2）完成設置后，單擊工具欄中的【 Simulate】按鈕執(zhí)行仿真，并等待仿真結(jié)束。 （ 3）仿真結(jié)束后，查看輸出信號的頻譜，并在頻率值為 200MHz 處插入一個標記，如圖所示。從圖 427 中可以看出，當本振功 率為 14dBm 時，輸出信號中中頻信號的功率值最大，為 ?。 圖 427 中頻信號的最大輸出功率 （ 4）在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個轉(zhuǎn)換增益的測量方程，轉(zhuǎn)換增益為輸出信號中中頻的輸入射頻信號功率的差值，因此方程的內(nèi)容為“ con_gain = dBm(mix(Vout,{1, ?1}))+20 如圖所示。 基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 34 （ 5）在數(shù)據(jù)顯示窗口中添加 一個轉(zhuǎn)換增益與輸入本振信號功率的關系曲線，如圖所示 。 [26] 圖 428 轉(zhuǎn)換增益與本振信號功率的關系曲線 混頻器的三階交調(diào)點分析 三階交調(diào)的測量 （ 1）刪除變量控件中的 RF_freq 和 LO_freq 變量，如圖所示。 圖 429 VAR1中的變量 （ 2）單擊原理圖設計窗口工具欄中的【 VAR】按鈕，在原理圖中添加一個新的變量控件，并在控件中添加如下變量： IF_freq = RF_freq ? LO_freq，表示中頻頻率為射頻頻率與本振頻率之差。 RF_freq = ，表示射頻頻率為 。 LO_freq = ，表示本振頻率為 。 Fspacing = ? 3，表示頻率間隔為 200kHz。 完成設置的變量控件如圖所示。 基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 35 圖 430 VAR2中的變量 （ 3）在原理圖設計窗口中選擇“ SimulationHB”元件面板，并從面板中選擇一個測量方程控件 Meas Eqn，插入到電路原理圖中。 （ 4）雙擊測量方程控件，在控件中添加如下幾個測量方程： IP3output = ip3_out(Vout,{?1,1,0},{?1,2, ?1},50)，是測量電路輸入 3 階交調(diào)點的測量方程，輸出值為電路三階交調(diào)點對應的輸入功率值。 PIFTone = dBm(mix(Vout,{ ?1,1,0}))，是測量輸出信號中中頻信號頻率成分的功率值的測量方程。 ConvGain = PIFToneRF_pwr，是測量混頻器轉(zhuǎn)換增益的測量方程。 IF3input = IP3outputConvGain，是測量混頻器輸出三階交調(diào)點的測量方程。 完成設置的測量方程控件如圖所示。 圖 431 完成設置的測量方程 控件 （ 5）刪除電路原理圖中第 1 端口的功率源，并選擇“ SourcesFreq Domain”元件面板，從面板中選擇一個 Pn_Tone，插入到原理圖的 1端口。 （ 6）雙擊功率源 Pn_Tone，并按下面內(nèi)容對它的參數(shù)進行設置： Freq[1] = RF_freq ? fspacing/2，表示 n 次諧波功率源的輸出頻率 [1]的頻率值為 RF_freqfspacing/2。 Freq[2] = RF_freq + fspacing/2，表示 n 次諧波功率源的輸出頻率 [2]的頻率值基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 36 為 RF_freq + fspacing/2。 P[1] = dbmtow(RF_pwr)，表示 n 次諧波功率源的輸出頻率 [1]的信號功率值為dbmtow(RF_pwr)。 P[2] = dbmtow(RF_pwr)，表示 n 次諧波功率源的輸出頻率 [2]的信號功率值為dbmtow(RF_pwr)。 完成設置的 n次功率源如圖所示。 圖 432 完成設置的 Pn_Tone （ 7）雙擊諧波平衡仿真控制器，在參數(shù)設置窗口選擇【 Freq】選項卡，刪除 RF_freq 頻率，然后分別添加 RF_freqfspacing/2 和 RF_freq+fspacing/2 頻率成分，并設置它們的最高次數(shù)為 3。然后選擇【 Sweep】選項卡，將【 SweepVar】項清空。完成設置的仿真控制器如圖所示 。 圖 433 重新設置的諧波平衡法仿真控制器 基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 37 （ 8）單擊工具欄中的【 Simulate】按鈕執(zhí)行仿真，并等待仿真結(jié)束。 （ 9）仿真結(jié)束后，在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個關于輸出信號 Vout 功率譜密度的矩形圖，得到如下頻譜圖。 圖 434 輸出信號 Vout的功率譜密度 （ 10）改變上圖中 x 軸的顯示范圍，并在得到的矩形圖中插入兩個標記，如圖所示，圖中就是中頻附近的各頻率成分 。 圖 435 輸出信號在中頻附近的頻率成分 （ 11）在數(shù)據(jù)顯示窗口中加入一個關于輸出三階交調(diào)點 IP3output 和輸入三階交調(diào)點 IF3input 的數(shù)據(jù)列表，如圖所示，從列表中可以看出混頻器的輸入三階交調(diào)點和輸出三階交調(diào)點分別為 和 ?。 [27] 圖 436 輸入三階交調(diào)點和輸出三階交調(diào)點 基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 38 2．三階交調(diào)點與本振功率的關系 下面分析三階交調(diào)點與本振功率的關系，具體過程如下。 （ 1）雙擊諧波平衡仿真控制器，在參數(shù)設置窗口中 選擇【 Sweep】選項卡，重新設定【 SweepVar】項為 LO_pwr。 （ 2）單擊工具欄